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Estudo de soluções para Mobilidade de Redes

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Mestrado em Engenharia Informática Dissertação/Estágio Relatório Final Estudo de soluções para Mobilidade de Redes André Fernandes de Carvalho Orientador: Fernando Boavida Data:
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Mestrado em Engenharia Informática Dissertação/Estágio Relatório Final Estudo de soluções para Mobilidade de Redes André Fernandes de Carvalho Orientador: Fernando Boavida Data: 12 de Julho de 2012 Departamento de Engenharia Informática Faculdade de Ciências e Tecnologia- Universidade de Coimbra Pólo II, Pinhal de Marrocos, Coimbra Telefone: Fax: Correio electrónico: Relatório Final da disciplina de Dissertação/Estágio, do curso de Mestrado em Engenharia Informática, ano lectivo 2011/2012 Realizado entre Setembro de 2011 e Julho de 2012 Nota: Este documento não segue as regras do novo acordo ortográfico. Autor: André Fernandes de Carvalho Orientador no Departamento de Engenharia Informática Fernando Boavida Coimbra 2012 ii Agradecimentos Para os meus pais. Pelo seu esforço e motivação contínuos, Para que pudesse chegar onde cheguei. Amo-vos. Obrigado Ao Professor Fernando Boavida, orientador deste projecto, pela preciosa orientação, motivação, auxílio, sentido prático e boa disposição. Ao Engenheiro Pedro Vale Pinheiro, pela cooperação, pelo entusiasmo que transmitia a cada reunião, pelas sugestões e pela disponibilidade. À Fundação para a Ciência e a Tecnologia, pelo suporte técnico dado a este projecto de investigação. A Hajime Tazaki, pela prontidão com que se prestou na disponibilização de informação relativa ao seu projecto sobre mobilidade IP em NS3. À equipa do Centro de Gestão de Sistemas e Infraestruturas de Informação e Comunicação, pela simpatia e pelo trato. Ao CROP, que simboliza aquilo que mais gosto no Departamento de Engenharia Informática. A toda a minha família, onde destaco a minha irmã a Alexandra e os meus avós, paternos e maternos. Por último à Inês, pelo apoio, conforto, companhia, suporte e motivação incondicionais em todos os momentos. André Fernandes de Carvalho Julho de 2012 iii Resumo O estudo da Mobilidade de Redes IP, bem como das respectivas soluções network based como o Network Mobility (NEMO) ou o MIPv6 Route Optimization for NEMO (MIRON) entre outras, é um tópico especialmente pertinente no actual panorama científico dado que num ambiente que caminha a largos passos para se tornar progressivamente mais Digital e Ubíquo, é expectável que a dependência pelas redes IP, nomeadamente pelas redes móveis, cresça substancialmente. Este projecto visou, numa primeira fase, a elaboração de uma análise teórica, o levantamento do estado de arte para as Soluções para Mobilidade de Redes IPv6 e a análise às principais vantagens da mobilidade de redes, face à já existente mobilidade de hosts. Seguiu-se o estudo de uma nova proposta de optimização client based, o Optimized Mobility for Enhanced Networking (OMEN), através de emulação com recurso a uma inovadora ferramenta denominada mobsim. O protocolo OMEN propõe alterações de base às soluções já existentes nomeadamente ao nível das operações de mobilidade que, neste protocolo, são em grande parte realizadas pelos dispositivos terminais. Os mais de trezentos testes diferentes realizados visaram a integração das tecnologias em estudo no meio de produção. Foram construídos cenários realistas de utilização da Internet, com carga elevada, condições de stress e ligações wireless reais. Os resultados obtidos revelaram uma superior gestão de carga para o protocolo OMEN, independentemente do número de fluxos ou rácio de optimização de rotas, o que poderá motivar a continuidade do envolvimento do autor com as tecnologias OMEN e mobsim. Palavras-chave IPv6, MIRON, Mobile IPv6, Mobile Router, mobsim, Network Mobility, NEMO, OMEN, Rede Móvel. iv Índice Resumo... iv Palavras-chave... iv Índice... v Lista de Figuras e de Tabelas... vii Glossário... ix Lista de Siglas Acrónimos... x Capítulo 1 Introdução Contexto Motivação Objectivos Plano de Trabalhos Estrutura do Documento... 5 Capítulo 2 Estado da Arte Científico NEMO... 6 Motivação... 6 Funcionamento... 7 RFC Binding Update... 9 Binding Acknowledment... 9 Dynamic Home Agent Address Discovery Request Túnel MRHA Desempenho teórico Encaminhamento triangular e Pinball routing MIRON Motivação Funcionamento Optimização de Rotas Return Routability Nós Visitantes Cenários ImbricadosMIRON Desempenho teórico OMEN Motivação Funcionamento Nós Móveis Locais Nós Móveis Visitantes e cenários Imbricados Desempenho teórico Comparativo Capítulo 3 Estado da Arte Tecnológico Agentes IETF KAME WIDE e Nautilus v Motorola e INRIA - Mobiwan GO-Core Project Universidade de Coimbra Instituto Politécnico de Leiria Comparativo Desenvolvimentos Tecnológicos Implementações MIPv Normalização Implementações NEMO Ferramentas NEMO NEPL SHISA Implementações MIRON RFC 4888 e RFC Implementações OMEN MobSim Reflexão final Ferramenta para testes Suporte: Sistemas Operativos Microsoft Windows BSD Linux: Distribuição Red Hat Comparativo Capítulo 4 Métodos de Abordagem Abordagem Características distintivas MobSim: Configuração e utilização Conceitos Gerais Nova Ferramenta de Emulação - Motivação Customização Procedimentos e métodos de abordagem Análise Estatística de Resultados Análise de variância Enquadramento e Abordagem Teste de Tukey Ferramentas Informáticas Chepeste Statistical Software Statgraphics Capítulo 5 Trabalho Actual e Resultados Arquitectura de Testes Princípios de Emulação Cenários de teste Cenário Geral Endereçamento Topologia Cenário realista com Baixa Optimização Cenário realista Moderada optimização Cenário realista Elevada Optimização vi 5.3. Definição de Testes Requisitos Hardware Software Configuração de cenários, Testes e Análise de Resultados Ambiente realista Baixa Optimização Descrição Configuração Testes e Resultados Ambiente Realista com Moderada Taxa de Optimização Descrição Configuração Testes e Resultados Ambiente Realista com Elevada Optimização Descrição Configuração Testes e Resultados Análise Final Problemas Encontrados Capítulo 6 Conclusões Trabalho Futuro e Reflexão Final Diagrama de Gantt Considerações Finais Anexos Anexo A: Arquitectura e Configuração do mobsim Anexo B: Análise às ferramentas de Simulação de rede Anexo C: Análise a Métodos estatísticos Referências Lista de Figuras e de Tabelas Ilustração 1 Cenário de re-aquisição de rede segundo o protocolo NEMO... 7 Ilustração 2 Esqueleto de uma mensagem BU... 9 Ilustração 3 Esqueleto de uma mensagem BA... 9 Ilustração 4 Funcionamento do tunel MRHA Ilustração 5 Cenário de reaquisição de rede para o protocolomiron Ilustração 6 Funcionamento do mecanismo de ReturnRoutability para o protocolo MIRON Ilustração 7 Acção do router móvel Ilustração 8 Modo de reaquisição de rede para o protocoloomen Ilustração 9 Return Routability para o protocoloomen Ilustração 10 Adequação de Mecanismos para diferentes tipos de nós Ilustração 11 Comportamento para nós locais móveis com Nesting Ilustração 12 Comportamento para Nós visitantes Móveis: OMEN Ilustração 13 Características distintivas entre Estado de Arte e Estágio Ilustração 14 Tráfego de uma utilização típica da Internet Ilustração 15 Valores para o servidor HP G7 em execução Ilustração 16 Comportamento global para NEMO, MIRON e OMEN Ilustração 17 Ambiente de testes geral Ilustração 18 Ficheiros de configuração das placas de rede para o servidor HP G Ilustração 19 Configuração das placas de rede para o servidor HP G Ilustração 20 - Topologia base para os testes de emulação Ilustração 21 Topologia em estrela global Ilustração 22 Ponto de estrangulamento fixo Ilustração 23 Níveis de imbricamento para a arquitectura de testes Exemplo Ilustração 24 Arquitectura de rede vii Ilustração 25 Cenário Inicial com Switch Ilustração 26 Gráfico de Gantt Tabela 1 Tipos de Resposta a Binding Update... 9 Tabela 2 Comparativo entre as três Soluções de Mobilidade de Redes Tabela 3 - Quadro Resumo: principais agentes Mobilidade de redes Tabela 4 - Suporte para MIPv Tabela 5 - Suporte para a classe dos sistemas legados Tabela 6 - Suporte para a classe centrada nas infraestruturas Tabela 7 Suporte para a classe centrada nos dispositivos terminais Tabela 8 Quadro resumo: Características Ferramentas de Simulação Tabela 9 Quadro resumo: suporte NEMO, MIRON e OMEN em SO s Tabela 10 Características distintivas para Estudo de soluções para mobilidade de redes Tabela 11 Quadro resumo dos projectos COFIMOM Tabela 12 Alteração de IP segundo normas IPv Tabela 13 Conjunto de configurações para utilização do mobsim Tabela 15 Cenários definidos para a Arquitectura de testes Tabela 16 Equipamento físico necessário Tabela 17 Quadro resumo do esquema de endereçamento Tabela 18 Definição de um agente nativo em mobsim Tabela 19 Alteração de endereço de um router móvel Tabela 20 Tratamento dos Access Point s Cisco Aironet 1200 series Tabela 21 mapeamento das variáveis para os endereços IP Tabela 22 Variáveis para identificação de equipamento de rede Tabela 23 Formato dos endereços IP no ficheiro ipaddresses.lst Tabela 24 Geração de endereços IP Tabela 25 Equipamento Virtual: cenário realista Baixa Optimização, 100 fluxos Tabela 26 Equipamento Virtual: cenário realista Baixa Optimização, 200 fluxos Tabela 27 - Equipamento Virtual: cenário realista Baixa Optimização, 300 fluxos Tabela 28 - Equipamento Virtual: cenário realista Baixa Optimização, 400 fluxos Tabela 29 - Equipamento Virtual: cenário realista Baixa Optimização, 500 fluxos Tabela 30 Configuração de uma topologia Tabela 31 Equipamento Virtual: cenário moderada Optimização, 100 fluxos Tabela 32 Equipamento Virtual: cenário moderada Optimização, 200 fluxos Tabela 33 Equipamento Virtual: cenário moderada Optimização, 300 fluxos Tabela 34 Equipamento Virtual: cenário moderada Optimização, 400 fluxos Tabela 35 - Equipamento Virtual: cenário moderada Optimização, 500 fluxos Tabela 36 Equipamento Virtual: cenário elevada Optimização, 100 fluxos Tabela 37 Equipamento Virtual: Cenário elevada Optimização, 200 fluxos Tabela 38 Equipamento Virtual: cenário elevada Optimização, 300 fluxos Tabela 39 Equipamento Virtual: cenário elevada Optimização, 400 fluxos Tabela 40 - Equipamento Virtual: cenário elevada Optimização, 500 fluxos Tabela 41 Variáveis de ambiente para o Tempo médio de ida e volta Tabela 42 Configuração de protocolos no script de testes Tabela 43 Mapeamento entre Paradigmas e Protocolos, de mobilidade de redes Tabela 44 Exemplo de deslocação da rede móvel A Tabela 45 Redes estrangeiras para a arquitectura de testes Tabela 46 Quadro de requisitos para os testes de emulação Tabela 47 Conjunto de testes para ambiente com baixa optimização Tabela 48 - Configuração de equipamento virtual variável: Baixa optimização 500 fluxos Tabela 49 Configuração de equipamento virtual fixo Tabela 50 Cabeçalho do Script scr 500 fluxos, nesting Tabela 51 Deslocação da rede móvel A para nível de nesting Tabela 52 Script para lançamento do teste: baixa optimização 500 fluxos e nesting Tabela 53 Configuração para lançamento dos testes de baixa optimização Tabela 54 Conteúdo do ficheiro log_log: baixa optimização, 500 fluxos Tabela 55 Ficheiro batch para processamento de dados Tabela 56 Resultado da execução do script de consolidação de dados (Output aux) Tabela 57 - Resultado da execução do script de ajuste de valores (Output aux 1) Tabela 58 Número de pacotes perdidos por host (results lost packets) Tabela 59 Agregação de resultados por host (Results aux) Tabela 60 Agregação de resultados por número de hosts (results aggregate) Tabela 61 Número de Pacotes perdidos 2: Tabela 62 Desvio Padrão para o ambiente com baixa taxa de OR Tabela 63 Testes para ambiente com moderada optimização Tabela 64 Topologia para o ambiente com moderada Optimização, 100 fluxos Tabela 65 Número de Pacotes perdidos 5: Tabela 66 Desvio Padrão para ambiente com moderada taxa de OR Tabela 67 - Topologia para o ambiente com elevada optimização, 100 fluxos Tabela 69 Pacotes Perdidos 8: Tabela 70 Desvio Padrão para ambiente com elevada taxa de OR Tabela 71 Testes abortados por falta de capacidade dos servidores viii Glossário Bootleneck/Estrangulamento Cenários Nested/Imbricados Gateway/Porta de Ligação Home Agent Host ICMP Packet Latência mobsim Overhead Pinball routing Router Router Móvel Round trip time Triangularrouting/Encaminhamento Triangular Telnet Performance ou capacidade máxima de um sistema, em termos de número de componentes ou recursos. Cenários com mais do que um nível de mobilidade ou seja, uma ou mais redes NEMO ligadas entre si. Máquina intermediária, geralmente destinada a interligar redes, separar domínios de colisão, ou mesmo traduzir protocolos. Router localizado numa home network, de um dado nó móvel, que mantém informação sobre a localização actual do dispositivo móvel respectivo, de acordo com o seu CoA. Faz uso de mecanismos de tunneling para fazer forward de tráfego, de modo a que o endereço do dispositivo não tenha de ser alterado por cada deslocação na rede. Máquina ligada à rede, passível de ser identificada por um endereço IP único. Internet Control Message Protocol, um dos protocolos basilares associado ao conjunto de protocolos IP como o TCP ou o UDP. Utilizado essencialmente para notificação de erros. Pode também ser utilizado para retransmitir mensagens query ( pedidos). Diferença de tempo entre o início de um evento e o momento em que os seus efeitos se tornam perceptíveis. Ferramenta de emulação de tráfego, horizontalmente escalável, capaz de gerir cenários de larga escala, desenvolvida na Universidade de Coimbra. Processamento ou armazenamento em excesso, seja de tempo de computação, de memória ou largura de banda, entre outros recursos requeridos pelo sistema. Fenómeno em que o tráfego de rede tem de atravessar todos os HA s envolvidos, um por cada rede móvel a atravessar. Equipamento de rede capaz de tratar da comunicação entre redes informáticas distantes entre si. Router com a capacidade de alterar o seu ponto de ligação à Internet perante perdas de ligação. Tempo necessário para o envio de uma mensagem e recepção de uma confirmação de recepção da mesma. Fenómeno associado ao facto de todo o tráfego destinado a um dispositivo terminal que não se encontre na sua HN, ter de ser encaminhado pelo respectivo HA sendo de seguida encapsulado, esse mesmo tráfego e enviado através do túnel bidirecional. Protocolo cliente-servidor para comunicação remota TCP entre computadores em rede. ix Lista de Siglas Acrónimos AP Access Point AR Access Router BA Binding Acknowledgement BC Binding Cache BU Binding Update BUL Binding Update List CN Correspondent Node CoA Care of Address CoT Care of Address Test CoTi Care of Address Test Init DHHAD Dynamic Home agent Address Discovery DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DHCPv6 Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6 DHCPv6PD Dynamic Host Configuration Protocol Prefix Delegation DoS Denial of Service FCT Fundação para a Ciência e Tecnologia (Ministério da Educação e Ciência) HA Home Agent HN Home Network HoA Home of Address I-D Internet-Draft IETF Internet Engineering Task Force IOS Internet Operating System IP Internet Protocol IPsec Internet Protocol Security IPv4 Internet Protocol version 4 IPv6 Internet Protocol version 6 LFN Local Fixed Node Linux Linus Torvald s UNIX LMN Local Mobile Node MAC Media Access Control x MH Mobility Header MIP Mobile Internet Protocol MIP 4 Mobile Internet Protocol 4 MIP 6 Mobile Internet Protocol 6 MIPv4 Mobile IPv4 MIPv6 Mobile IPv6 MN Mobile node MNN Mobile Network Node MNP Mobile Network Prefix MONAMI6 Mobile Nodes and Multiple Interfaces in IPv6 (IETF WG) MR Mobile Router MN Mobile Network NEMO Network Mobility (IETF WG) NEPL NEMO Platform for Linux NS-2 Network Simulator 2 NS-3 Network Simulator 3 OMEN Optimized Mobility for Enhanced Networking PAN Personal Area Network RA Router Advertisement RFC Request for Comments RO Route Optimization RTT Round trip time SSH Secure Shell SSID Service Set Identifier TCP Transmission Control Protocol UDP User Datagram Protocol VLNA Virtual Local Area Network VMN Visiting Mobile Node VN Visited Network WAN Wide Area Network WG Working Group WIDE Widely Integrated Distributed Environment (Project) Wi-Fi Wireless Fidelity (IEE ) xi Capítulo 1 Introdução The value of IPv6 can be realized only if the deployment effort is broadly based on a global scale. I encourage your initiative and support your efforts to create a receptive environment for the development, delivery and use of IPv6 in the global Internet. Vinton G. Cerf 1.1 Contexto É inegável o impacto das redes sem fios, no actual panorama tecnológico, em parte devido ao crescimento de mercado em torno de dispositivos móveis com suporte para redes IP, como tablets ou smartphones e à proliferação de aplicações de streaming e de redes sociais. O esforço no sentido de tornar o fornecimento de ligação à Internet ininterrupto começou por se centrar nos nós terminais. No entanto, face a situações específicas de utilização da Internet, como a definição de redes de sensores para automóveis, caso específico de aplicação de Redes veiculares i ou uma distribuição de ligação à Internet em meios de transporte públicos, cenários em que as infraestruturas de rede alteram constantemente a sua localização geográfica, justiticam a existência de uma rede móvel, de modo a que os utilizadores possam manter as suas sessões activas, sem que a alteração do ponto de ligação à Internet do router móvel (Mobile Router, MR) constitua um problema. A mobilidade de nós revela-se insuficiente em termos de desempenho e de custos motivando a necessidade de implementar não só mobilidade para terminais, como também para redes IP inteiras. Existe fundamentalmente um obstáculo para este processo, a falta de suporte por parte do protocolo que implementa a Internet. Exluir o protocolo IP da equação não é, no entanto, solução dado que se prevê que este seja a base tecnológica para a Internet durante largos anos. Nesse sentido, importa estudar soluções e extensões para o protocolo IP que afiancem um acesso à Internet sem interrupção de sessões, num ambiente idealmente Ubíquo. A versão seis do protocolo IP constitui o caminho mais viável para a implementação de mobilidade de redes uma vez que, a escassez de endereços fixos disponíveis em IPv4 se revela como uma desvantagem. Em IPv6, por outro lado, será bem mais fácil obter endereços fixos únicos, dada a maior disponibilidade inerente a esta versão do protocolo. A este factor acresce o trabalho desenvolvido em torno do IPv6, com especial destaque para o MIPv6 que implementa, com sucesso, a mobilidade para dispositivos terminais. Estes avanços são fundamentais para a próxima etapa, a mobilidade não só de hosts mas de redes IP na sua totalidade. Na linha da frente de todo este processo está o trabalho desenvolvido pelo Internet Engineering Task Force (IETF), que criou um grupo de trabalho específico o Network Mobility Working Group, um dos primeiros esforços no sentido de criar e estabelecer mecanismos que permitam a gestão da Mobilidade de Redes, para terminais em redes Ipv6, dando origem respectivamente aos projectos Mobile IPv4 (MIPv4) e Mobile IPv6 (MIPv6). i Redes formadas por veículos automotores e por equipamentos fixos, geralmentelocalizados às margensde ruasou deestradas. 1 Seria no entanto um outro projecto, oriundo de um novo grupo de trabalho criado no seio do grupo IETF de seu nome NEMO, que viria propôr a primeira solução plausível para implementação de mobilidade de redes IP, o NEMO, baseada no protocolo MIPv6. O NEMO implementa uma série de mecanismos capazes de suportar a mobilidade de uma rede como um todo, podendo a mesma alterar o seu ponto de ligação à infraestrutura IP, sem que haja perda de sessão ou a necessidade de fazer alterações ao nível dos nós terminais. Trata-se de uma solução bastante simples, funcional e totalmente compatível com nós de rede legados ii, apresentando no entanto inúmeras fragilidades sendo a ausência de optimização de rotas e consequente deteriorar de performance, a principal deficiência. Para um contexto de utilização massiva, como o da Internet, este tipo de desvantagem é determinante, o que levou
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